国内外新能源动力汽车动力系统概述.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 31 日 作者简介：卢俞典（1985），男，汉族，广西博白人，本科毕业，柳州五菱新能源汽车有限公司，助理工程师，研究方向新能源汽车。-88-国内外新能源动力汽车动力系统概述 卢俞典 刘 江 陈晶萍 丘 龙 柳州五菱新能源汽车有限公司，广西 柳州 545000 摘要：摘要：建设“资源节约型、环境友好型”社会，“绿水青山就是金山银山”等环保理念渐渐深入人心，可持续发展成为近几年的热门话题，新能源汽车成为越来越多人的选择。新能源汽车优点显著，不仅更加绿色环保，还能提高能源的利用率，能很好的适应当前社会的发展需求。今后的 20 年，新能源汽车行业和动力系统必然会迎来一个转型期。石化燃料也会淘汰出局，转而被可再生原料取缔，逐步替换为生物燃料、氢能等。新能源必定会成为缓解汽车能源危机的可靠举措。本文系统梳理了新能源动力系统在国内外的研发现况。关键词：关键词：新能源汽车；动力系统；研究 中图分类号中图分类号：U469 0 引言 新能源动力系统大致有两大类：一是电动、二是混合动力。前者，供电源为电池，不需要其他化石燃料。而混合动力汽车，实质上是两种燃料的混用，也就是电池+内燃机。如今，国家从政策方面对新能源汽车给予了扶持，加上公众环保意识的提升，新能源汽车正迎来新的销售春天。可见，分析与调研新能源动力系统及其需求十分有必要。探索新能源动力系统，其目的在于提升能源利用率，减少碳排放。为达成上述目标，有必要对电池的安全性及其速度展开研究，优化电池性能，节省充电时长。同时，要深入研究能源管理系统，在保证汽车性能的前提下，提高运行能效。1 国外新能源汽车动力系统 有关新能源动力系统，国外研究更为充分，贡献较大，如德尔福、博世、英国米拉 H4V 插电式、伊顿公司混合动力系统，同时包括艾里逊、通用乘用车双模混合动力系统，以及吉利强混合动力系统等。这类，我们初步介绍其中 2 种代表性的动力系统。1.1 英国米拉插电式混合动力技术 从构成上看，米拉 H4V 插电式混合动力系统涵盖了如下几个部分：HEE 发动机（动力强度 1.4L，功率30 kV）、电机（35 kV，数量 2 个）、锂离子蓄电池（330 V，数量 2 个）、转换器、逆变器、蓄电池、智能电差速器以及一台发电机，见图 1。纳米是该混合动力系统最关键的技术，在蓄电池中融合纳米粒子技术，制作一种磷酸铁锂蓄，以保证蓄电池本身的储存密度，储存充足的电力，为汽车提供不间断的动力。由此，汽车所也可以开出更长远的路程。本混动系统涵盖了 3个独立的手提盒子，每个均装满了蓄电池包，其中配备蓄电池、冷却以及管理系统。对米拉 H4V 插电式混动系统来说，它最大的优势在于整个蓄电池盒是便携式的，在任何地方都能够自如地拆卸，在第一时间对电池进行更换。此外，该动力系统也支持能力回收，能够存储制动形成的能力，减小汽车的能耗。对米拉H4 V 插电式混动系统进行安装后，车辆上也会配备充电插头。一旦蓄电池中储存的电量完全用尽，不需要对蓄电池包进行拆卸，仅需外接电源就可以快速充电。除上述外，装上这个系统后，整个车辆的油耗也会变小。平均 100 公里耗费的油量只要 4.4L，相较于一般的单燃料发动机，其油耗降低了 30%。1.2 通用双模混合动力系统 至今为止，通用双模混合动力系统仍旧是最领先、成熟度最高的技术。它充分融合了电力、机械两种不同的驱动模式，为汽车行驶提供强大的动力。除了高效外，该系统还有不错的环保意义。从内部结构上看，双模混合动力系统涵盖了发动机、蓄电池还有变速器等多个不同的部分。尤其变速器，可以让 3 个齿轮组做到同步工作，驱动四组离合器进行运转，以确保汽车能够自如地对低速、高速这两种不同的模式进行快速切换。另外，它的动力源有两个，一是电能，二是机械。发动机可以将机械能提前转换成驱动力，而电机又可以将电能提前转换成一种驱动力。对双模混动 中国科技期刊数据库 工业 A-89-图 1 H4V 布置图 系统来说，动力分配模式可以是单模，也可以是双模，可以给汽车提供充足的驱动力，以提高它的加速和行驶性能。凯迪拉克公司主打和推出的凯雷德混合动力车，其整车就已安装双模混合动力系统，也是全球唯一的一款SUV豪华车。该车的混合动力系统十分强大，相较于其他款型的汽车，它的节油量达到 40%。通常，每开 100 公里该车的油耗量仅需要 11.1 L。2 国内新能源动力系统 相较于国外，我国在新能源动力系统领域并未看到广泛的研究成果，目前较为熟悉的是德尔福混动、清洁能源汽车（广汽）、由德国大陆集团、采埃孚双方携手打造的单模混动系统。这里，我们将简单介绍广汽上市的清洁能源动力系统。2.1 广汽集团清洁能源动力系统 这款清洁新能源动力系统，是由广汽集团、华南理工联袂研发与推出，是一款全新的动力系统。它采用了混动供电模式，一是燃料电池，二是蓄电池。该系统是借助车载催化作用，对制氢模块进行二次重整，将汽车燃料转换成为一种氢气。在此前提下，借助升压装置来对蓄电池进行电源补给，汽车行驶，也是依靠蓄电池中储存和释放而来的电力进行驱动。该系统成功地将燃料、动力蓄电池进行完美结合，使这两种电池得到同步控制，发挥出电池、电机乃至整个输送组织各自的功能。本系统中，厂家主要选取了液态燃料。它的特点是方便存储、支持自如添加，相较于之前的氢燃料有独特的优势。同时，汽车整体的安全性也得到较大程度的增强。该动力系统有两种最为核心的技术，一是车载催化重整制氢模块，二是燃料电池。前者是由甲醇、乙醇构成，其含碳量偏小，来源也十分宽泛，投入小，所以得到各界的喜爱。由广汽集团自主研发和制作的车载催化重整制氢模块，其功能也十分全面，如蒸发、水气分离、混合包括散热，反映耗时短、氢气产量大，短期内就会释放和得到很多的氢气。同时，所得氢气完全能够满足车辆5000 瓦的发电之需。多孔泡沫材料是本系统最重要的载体，可以在很快时间内对催化剂进行填满，使用期限长、效率高。另外，质子交换膜燃烧电池同样也是本系统的关键技术，可以将空气、氢气控制在一种低压状态。此时，气体相对稳定，其安全性偏高，整个系统也易于操控，几乎没什么太多的噪声。除上述外，清洁能源动力系统通常都是选择一种特制碳纸，耐用性高，寿命长，可以确保燃烧电池长时间、平稳地运行。由此说明，该系统在运转方面的效率十分高。2.2 通用乘用车双模混合动力系统 双模油电混合动力技术，被认为是仅次于油电混合动力的前瞻技术。利用双模混合动力系统，将电力、机械两种驱动模式进行结合，为车辆传递超强的动力，做到动力强劲、绿色节能。双模混合动力系统，大致涵盖了如下 3 个构件：中国科技期刊数据库 工业 A-90-V8Vortec 发动机（排量 6.0L）、镍氢蓄电池（容量 300V）以及电子无级变速器（EVT）。这其中，V8Vortec 发动机能够达到 248kW 的功率，扭矩接近于 498Nm，同时拥有电子节气门（ETC）、可变气门正时系统（VVT）以及智能燃油系统 AFM，在低负荷状态下完全可以从缸转变为 4 缸。电子无级变速器（EVT）中，搭载了 2 台驱动电机它们的功率均是 83KV，同时拥有 3 个行星齿轮组进行同步操作，辅助组离合器共同对系统进行控制。由此，汽车才能完美地在低速、高速这两种不同的模式中进行自如切换。另外，本系统同时还提供了容量达到 300V 的一款镍氢蓄电池。工作过程：（1）制动时，有些以热能消耗的能量会得到成功转换，使其成为汽车必备的电能。下坡时，发动机也会暂停工作，将动能快速转变为电能，并在镍氢蓄电池内进行存储。减速状态下，电机充当系统的发电机，能够对能量进行回收。（2）车辆遇红灯或停车时，发动停止工作，做到零排放、零油耗、零噪声。（3）起步及低速行驶时，两个电机提供纯电力驱动车辆 实现零排放。（4）一般正常行驶时汽油发动机及电机启动工作系统智能切换形成油电共驱并在 AFM 控制下发动机平顺实现缸和缸切换，促进节能减排。（5）在高速巡航或高负荷时发动机全效输出必要时电机助力。和单模混合动力相比，双模混动技术最大的优势表现在它的动力上。低速运行时，单模混动系统同样也可以做到纯电动；而高速行驶时，单模混动系统本身的驱动力则必须要由机械能、电机这 2 个核心的部分进行同时转化，才能得以实现。一部分机械能可以输出驱动，剩下则是由行星齿轮来转移给电机，接着由电机负责输出，经转化后成为可使用的机械能。显然，这种模式势必会消耗较多的电路能量，带来不同程度的动力损失。而双模混动技术，高速时会选择复合动力分配，也就是和单模动力相类似的模式，或是输出所有的机动能，利用双模电机来对动力进行叠加，其驱动力十分强大，使车辆具备较高的加速性能。凯雷德混动车，作为全球第一款成功搭载双模混动系统的 SUV 车，本身就属于一个强混动系统。不论电功率比还是节油率，都可以接近于 40%。在多路况下，该车辆的油耗仅为 11.1L。凯雷德混动车，允许用户自由选择车辆的驱动模式。如后轮驱动，对于高速巡航、四轮驱动比较适合；而行驶安全性高、低速四轮驱动模式，则对爬坡或是越野路面更为适合。2.3 吉利强沮合动力系统 该系统实质上是将 1 台汽油机（1.5L）、电机以及控制器等当做一个智能动力模块。结合路面行车工况，依次做到怠速停机、加速电机助力以及制动能回收等基础性功能。这其中，电机、动能透过式发电机均是借助动力伺服驱动器来达到前行控制之目的。对发电机而言，它的外转子其实是和输出轴进行接通，内转子则是和电机保持同轴，利用齿轮传动来成功地和主减速器进行连接。发电机，很多情况下是由发动机来负责驱动。受矩伺服系统的影响，伺服转矩、外转子二者的转速差也会以一种电能的形式快速进入到高压线上。同时，伺服转矩、转子转速相匹配的功率，其输出形式仍旧是机械功率。因此，该发电机又被叫做动能透过式发电机。把控好透过式发电机，能够让动力系统真正做到传动比的变化，反映出无级变速器强大的功能。2.4 博格华纳推出电子驱动变速桥 2009 年，上海举办了一场国际汽车展。为响应消费市场对电动、混动车的变化需求，博格华纳率先研发并且推出一款一体化产品，也就是电子驱动变速桥。它的接口方式十分灵活，系统操控性相对稳定，拥有优秀的传输性能。正因为此，一上市，美国境内知名的 Tesla 公司就为之所动。同时，博格华纳一也很快被投入于 Tesla 纯电动车中，其驱动源便是电机。它的输出功率达到 185kW，而扭矩达到 375Nm，整个锂离子蓄电池模块中，涵盖了 6831 个独立的锂离子电池，重 量 共 计 约 为418kg。从 加 速 时 间 上 看，31-01eGearDriveTM仅仅花费 3.9s，车速最快约为201km/h，而它的续驶里程接近于 393km。该产品的重量只有 36kg，单级减速比突破 8.28，但是它的效率高达 98%，输入扭矩约为 300Nm，最大转速成功突破了14000r/min。对该变速桥来说，它的中心距约为 213mm，同时附带专门的停车锁止系统。混动、电动车及其细化的产品分类，如图 2。从图 2 得知，中重度混动系统均是选择起动机模块（CAS）以及 eAWD。不论插电式混动车还是市场上常 中国科技期刊数据库 工业 A-91-图 2 混合动力、电动车产品类别 见的纯电动车，都是可用选择 eGearDriveTM。就串联插电式混动车而言，它的发动机并没有直接参与运行。当蓄电池中的电量完全用尽，内燃机也会立即驱动发电机，使其继续给蓄电池进行充电，以便车辆可以正常地向前行驶。在紧凑、狭小的空间内，博格华纳研发和问世的eGearDriveTM系统能够真正传递大扭矩、达到超高效率，促进低 NVH。同时，eGearDriveTM系统还可以提供电子扭矩中断、驻车锁止等多个系统。该产品能够和最新CAN 网络保持匹配、兼容，其传动效率接近于 98%，有助于减小整车重量，保证燃油经济性。因此，整车在功能、模块匹配方面也十分灵活、轻便。eGearDriveTM电子驱动变速桥，能够很好地和混动、纯电动车进行匹配。相较于非混动汽车，它的燃油经济性上涨了 25%，能够很好地对制动能量进行回收。未来，还将成为起动机以及蓄电池系统最好的替代者。3 结束语 综上，新能源动力系统必将成为汽车动力系统今后的主流方向，缓解汽车耗能方面的问题。毫无疑问，新能源汽车的明天是开阔的，各汽车公司也必须加油向前，持续性研发动力系统，致力于动力系统的稳步创新，优化新能源汽车产品的性能、安全及舒适性，做到真正意义上的环保、低碳出行。参考文献 1顏乐平,成姿,周常飞等.电动汽车的发展现状与未来趋势分析J.电工技术,2019,508(22):148-149.2李志国,秦啸.探究电动汽车维护内容及技术标准J.内燃机与配件,2020(20):135-136.3关云霞,梁晨.新能源汽车技术M.北京:机械工业出版社,2018.4吴明山.新能源汽车技术发展现状和趋势分析J.山西青年,2019(09):180.